石灰石粉混凝土在核電聯合泵房工程中的應用

吳留恩，趙 迪

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力建設第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212003；2. 中國核電工程有限公司，北京 100191)

0 引言

為了降低水化熱溫升幅度和改善混凝土性能，在大體積混凝土內添加適量的礦物摻合料是必要的。在混凝土的礦物摻合料中，粉煤灰、硅粉比較常用，而石灰石粉應用較少。

石灰石粉原材料分布廣，開采能耗低，價格相對便宜，因此，在一些國家、地區或領域，石灰石粉混凝土應用呈擴展之勢，前景或不容低估。本文基于海水環境、高速流水環境和核安全有關的構筑物及其混凝土設計情況，分析石灰石粉應用問題及對策，并首次將石灰石粉混凝土拓展應用于核電聯合泵房地下結構工程施工。

1 聯合泵房工作環境

1.1 工程基本概況

海外某核電站采用“華龍一號”技術，建設2 臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，其聯合泵房安裝4 臺循環水蝸殼泵和8 臺重要廠用水立式泵，設計使用年限為60 a，輸送介質為海水，供水用途中包括核島重要廠用水，屬于核安全有關的物項。

聯合泵房長130.26 m，寬66.85 m，地下部分為鋼筋混凝土結構，深28.65 m；地上部分為鋼結構，高19.70 m。聯合泵房整體由2 個相同的獨立單元(2PS、3PS)組成，每個單元順水流方向分別為前池、鼓網區和泵區；每個單元的泵區沿縱向分為3 個實體間隔，中間布置2 臺循環水蝸殼泵，兩端各布置2 臺重要廠用水立式泵。泵房筏板基礎尺寸為118.86 m×66.85 m，基礎最小厚度2.4 m，墻板最小厚度1.2 m，地下結構均屬大體積混凝土，混凝土總量約10 萬m3。

1.2 工程環境條件

根據地質詳勘報告，聯合泵房坐落在泥巖地基上，無地下水，地基礦物成份不會溶濾到環境中，可不考慮其腐蝕性；周圍土層含水率小于3%，按地層滲透性，對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土具微—中等腐蝕性，土中無硫酸鹽侵蝕危害。

當地多年平均氣溫25.3 ℃，最熱月平均溫度為31.3 ℃，極端最高氣溫為46 ℃，最低氣溫為1.5 ℃，不受凍融環境作用。廠址附近海水多年平均水溫為25.3 ℃，最低水溫為17.8 ℃，最高水溫35.0 ℃；海水多年平均鹽度3.67%，歷史最高鹽度3.80%，歷史最低鹽度3.40%；水溫25 ℃時的PH 值為5.35 ～8.05，平均含沙量0.178 kg/m3，最大含沙量0.262 kg/m3。聯合泵房池體和流道處于海水氯化物環境(水下、水位變動區、干濕交替區)、化學腐蝕環境、含砂高速流水環境(進水流道和蝸殼流道)。

1.3 環境作用等級

基于聯合泵房結構部位所處的工程環境條件，根據設計規范規定[1-2]，可以得到聯合泵房各部位混凝土環境作用等級，如表1 所示。

表1 聯合泵房混凝土環境作用等級一覽表

2 混凝土設計概況

2.1 混凝土的主要指標

聯合泵房是與核安全有關的重要結構，其混凝土應按規定[1,3]要求針對耐久性參數和指標進行定量設計與校核。

聯合泵房按照各部位混凝土參數及相應環境作用等級，分別設計和校核混凝土的強度、抗滲、抗裂和耐久性等指標，其設計指標如表2 所示，其中的堿含量、氯離子含量、膨脹率、收縮率、抗水滲透等級和氯離子擴散系數等六項指標，在配合比確定前應通過試驗驗證。聯合泵房地下主體結構混凝土，除了滿足蝸殼混凝土、抗滲混凝土和大體積混凝土標準[4-6]外，還應滿足補償收縮混凝土和纖維混凝土等標準規定[7-8]。

表2 聯合泵房混凝土設計指標匯總表

2.2 水泥熟料

水泥熟料從我國采購，通過當地廠商統一供應硅酸鹽水泥(代號P.Ⅰ)。硅酸鹽水泥強度等級為42.5 MPa，水泥細度(比表面積)≤350 m2/kg，堿含量＜0.6%，水泥3 d 水化熱≤240 kJ/kg，7 d 水化熱≤270 kJ/kg。水泥產品應符合中國國家標準[9]的規定。水泥熟料礦物的組成及含量如表3 所示。

表3 水泥熟料礦物的組成及含量

2.3 礦物摻合料選擇

聯合泵房混凝土礦物摻合料選擇受到當地資源限制，曾經困擾現場較長時間，專家組經過多次調研和反復試驗，最終確定采用石灰石粉。

在混凝土拌和物中，石灰石粉不僅作為惰性填充材料，減少水泥用量和水化熱總量，而且發揮減水效應。石灰石粉產品應符合標準[10-12]的規定，其主要技術指標及取樣驗證實測值如表4 所示。

表4 石灰石粉主要技術指標及取樣驗證實測值

在石灰石粉技術指標中，碳酸鈣含量、亞甲藍值(methylene blue，MB)和流動度比，是最重要的三項指標。CaCO3是石灰石粉的主要成分。亞甲藍值是反映石灰石粉的吸附性指標，通過測定石灰石粉消耗亞甲藍數量，可以判斷石灰石粉中泥粉含量水平，數值越小越好。流動度比是衡量石灰石粉應用價值的指標，流動度比越大，表明減水效果越好，對混凝土和易性改善作用越明顯。

3 石灰石粉應用問題及對策

3.1 石灰石粉礦物摻合料適用性問題及對策

粉煤灰作為混凝土的礦物摻合料，應用已經十分成熟，但由于當地方圓1 000 km 范圍內，無滿足要求的Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰和礦渣粉，因此，遇到了礦物摻合料的替代選擇問題。該工程核島、常規島均采用石灰石粉混凝土，且有同類參考工程，但并不是水工結構，而且與聯合泵房的環境作用等級完全不同。

聯合泵房混凝土能否摻加石灰石粉的主要問題包括：碳硫硅鈣石問題、堿—碳酸鹽反應問題、抗沖磨防空蝕問題等。

3.1.1 碳硫硅鈣石

石灰石粉計入膠凝材料，取代部分水泥后，對混凝土抗凍融和抗硫酸鹽侵蝕有一定影響。在潮濕、低溫(低于15 ℃)，且地基土壤存在硫酸鹽的環境中，需要防止CaCO3與水化硅酸鈣、硫酸鹽反應，生成碳硫硅鈣石，引起混凝土微結構解體。GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計規范》附錄B.1.6 規定：溫度低于15 ℃的硫酸鹽環境中，水泥和礦物摻合料不得加入石灰石粉。

工程地質勘察報告和補充試驗均表明，該工程廠址土體中無硫酸鹽侵蝕危害，海水歷年平均水溫為25.3 ℃，最低水溫為17.8 ℃，不會出現溫度低于15 ℃的硫酸鹽環境。

3.1.2 堿—碳酸鹽反應

采用非堿活性骨料可以預防堿—骨料反應，但是對于摻加石灰石粉后是否存在堿—碳酸鹽反應而生成膨脹性產物這一問題，若補充鑒定試驗，至少需要一年時間。

參考水利水電工程經驗和相關標準[1,12]，盡管堿—碳酸鹽反應的概率微乎其微，遵循核電設計原則，仍然采取如下技術措施：①限制石灰石粉摻量＜18%；②控制混凝土的總堿含量≤3.0 kg/m3；③在混凝土中摻加微纖維；④控制水膠比不大于0.36 或0.40。

3.1.3 混凝土抗沖磨防空蝕

石灰石強度較低，作為惰性填充材料摻入混凝土中，對混凝土的抗沖磨和防空蝕性能有一定影響。

聯合泵房的進水流道和蝸殼流道處于高速流水環境，水流速度5 ～20 m/s，受到含沙海水的長期作用，根據電力行業標準規定[13]，采用混凝土強度等級為C55，高于C40，滿足抗懸移質磨蝕強度等級要求。

進水流道工作時處于負壓狀態，彎曲段和頸口段容易發生空蝕。因此，彎曲段采用了漸變收縮設計，負壓隨著水流速度的增大而變小，并可能變為正壓，在各種工況水流速度(5 ～10 m/s)作用下，C55 混凝土抗空蝕強度能夠抵御空蝕的發生。頸口段采用了金屬環，空蝕強度比混凝土有大幅度提高，在各種工況水流作用下，發生空蝕的可能性極小。蝸殼流道工作時處于正壓狀態，在水溫≥25 ℃、水流速度≥16 m/s 時，有些特殊位置的空化數小于初生空化數，可能會發生空蝕。空蝕會導致混凝土表面剝蝕、粗骨料裸露，甚至出現鋼筋裸露或孔洞，混凝土抗空蝕性能對結構的耐久性有一定影響。

采用的主要對策有：①限制石灰石粉摻量＜18%；②在進水流道和蝸殼流道區域的混凝土中，添加硅粉(二氧化硅含量≥85%，氯離子含量≤0.1%，堿含量≤1.5%，比表面積≥15 m2/g，品質應符合標準規定)，摻量為膠凝材料的5%～10%；③在所有混凝土中，加入0.9 kg/m3聚丙烯纖維，纖維長度19 mm，纖度6 D，密度0.91 g/cm3，彈性模量＞3 900 MPa；抗拉強度≥450 MPa，拉伸極限15%，抗裂效能等級為一級，其品質應符合標準規定。

C55 石灰石粉混凝土對比試驗[14]表明0.9 kg/m3聚丙烯纖維與9.8%石灰石粉、硅粉復摻，混凝土的抗磨蝕強度提高99%，抗空蝕強度提高22%。

3.2 石灰石粉摻量問題

根據規定[1-3]：對環境作用等級為Ⅲ-C、Ⅲ-F級的結構，可以采用大摻量礦物摻合料混凝土；當采用硅酸鹽水泥，水膠比≤0.40 時，混凝土中石灰石粉的最大允許摻量為35%。

該工程地處炎熱地區，氣溫在30 ℃以上的天數居多，從大體積混凝土降低水化熱和經濟性角度，在允許范圍內，石灰石粉的摻量越大越好。但是，石灰石粉摻量過大，對結構的一些長期性能和耐久性能會產生不利影響。

用取代法在雙摻或多摻情況下，石灰石粉在等量取代15%以上水泥時，會明顯降低混凝土拌和物的黏聚性，使混凝土拌和物更易離析、泌水，在添加長度19 mm 聚丙烯纖維的情況下，較難達到泵送所需的坍落度要求。

根據試驗，石灰石粉在混凝土中的摻量宜控制在10%～15%范圍內，既滿足混凝土的力學性能、工作性能、降低水化熱、減小混凝土收縮等要求，又符合混凝土的長期性和耐久性要求。

石灰石粉會促進水泥早期水化放熱，對混凝土有一定的促凝作用，對大體積混凝土施工有影響，需添加緩凝劑，以調整混凝土的初凝時間。緩凝型高效減水劑主要技術指標及實測值如表5 所示。

表5 緩凝型高效減水劑主要技術指標及實測值

3.3 氯離子擴散系數偏大問題及對策

抗滲等級僅反映混凝土抵抗水滲透的能力。氯離子擴散系數是表征氯離子在混凝土中從高濃度區向低濃度區遷移擴散速率的指標，適用于中高強度混凝土。根據聯合泵房設計使用年限和環境作用等級，設計要求混凝土28 d 齡期氯離子擴散系數≤4×10-12m2/s。

該工程混凝土抗滲等級為P10，每次檢測均合格，但是混凝土28 d 齡期氯離子擴散系數DRCM 檢 測 結 果 為(4.8 ～4.9)×10-12m2/s，只能達到規范[1]規定的50 a 耐久性要求，即DRCM ≤5×10-12m2/s。

針對氯離子擴散系數偏大問題，主要對策包括在混凝土中添加鋼筋阻銹劑、選用合金化含鉻鋼筋和混凝土外露表面采用硅烷浸漬等，使結構耐久年限達到65 a(即：50 a+15 a)，大于60 a。

3.3.1 混凝土中添加鋼筋阻銹劑

在水位變動區及以上結構混凝土中，添加復合氨基醇類多功能活性阻銹劑，鋼筋阻銹劑的均質性、控制偏差、材料性能及應用應符合標準規定。

3.3.2 選用合金化含鉻鋼筋

合金化含鉻鋼筋抗氧化性能好，抗海水腐蝕能力強。在保證鋼筋力學和工藝性能的前提下，采用鉻元素(Cr)含量為0.32%～0.37%的HRB400 鋼筋。

3.3.3 混凝土外露表面采用硅烷浸漬

在水位變動區及以上結構混凝土表面施涂一種可滲入混凝土表層的硅烷材料，在混凝土表層形成憎水層，從而阻止環境中的水及有害離子侵入混凝土。

硅烷浸漬防腐的設計使用年限為15 a，宜采用異丁烯三乙氧基硅烷單體作為浸漬材料，浸漬硅烷的產品、施工及檢驗均應滿足規范的規定[15]。

4 聯合泵房地下結構施工

4.1 石灰石粉混凝土

4.1.1 混凝土配合比

聯合泵房石灰石粉混凝土的設計配合比，在按標準[16]規定計算、試配、調整和驗證、確定后，在施工配合比確定前，通過攪拌站對原材料的投料方式、投料次序和攪拌時間等進行試驗與調整，且通過現場泵送、澆筑試驗，對石灰石粉混凝土的力學性能、工作性能、長期性能和耐久性能進行了全面驗證。聯合泵房各部位相應的混凝土配合比和混凝土長期性能、耐久性能指標檢測結果如表6 所示。

4.1.2 混凝土供應

聯合泵房石灰石粉用量約7 000 t，現場建有一座3×120 m3/h 的混凝土攪拌站，集中攪拌核島、常規島和核電廠配套設施(balance of plant，BOP)工程用的混凝土。混凝土配制時，石灰石粉與砂、石、水泥先投先拌，然后再投入水和外加劑等；在攪拌時，比普通混凝土需延長拌和時間約20 ～30 s；混凝土拌和物出機溫度宜為5 ～23 ℃，入模溫度宜為5 ～25 ℃，坍落度為(160±30) mm，擴展直徑490 ～550 mm，泌水量＜10 L/m3，初凝時間約為180 min，初終凝時間差宜為30 min；混凝土拌和物從攪拌結束到入模時間≤90 min；首次使用的配合比必須通過開盤鑒定合格方可使用。

4.2 地下結構分區分塊分層跳倉施工

4.2.1 筏基

聯合泵房2PS、3PS 的筏基各劃分為5 個區塊，根據相隔區塊與相鄰區塊，按照一定時間間隔，分別對區塊進行跳倉施工，水平施工縫設在底板向上≥300 mm 的墻板位置。

4.2.2 泵區

按進水流道和蝸殼流道的結構特點，每臺泵的蝸殼區，劃分為6 個區段依次施工。進水流道底面和蝸殼流道底部曲面混凝土，需進行二次振搗和壓光處理。為保證流道表面混凝土密實、光滑，進水流道和蝸殼流道分別配備兩套定型模板，在2PS 和3PS 施工中周轉使用。

4.2.3 墻板

泵區、鼓網區和前池區的墻板混凝土，分5 ～7 個標高段跳倉施工。墻板及支墩的水位變動、干濕交替區(相對標高-14.59 ～-10.69 m)，應盡量少留施工縫。

墻板施工縫應居中設置-3 mm×400 mm止水鋼板，混凝土強度達到1.2 MPa 方可鑿毛，鑿毛應剝除浮漿、松散集料，使之露出堅固、毛糙的石子。水平施工縫應預先保水潤濕24 h，澆筑混凝土前，清除表面積水，先鋪設30 ～50 mm 厚同成分的去粗骨料混凝土，然后再分層澆筑。

4.3 鋼筋保護層厚度

鋼筋保護層厚度對結構耐久性有重要影響。聯合泵房地下結構的鋼筋保護層厚度設計值為65 mm，現場制作的保護層墊塊，混凝土強度應為C45 或C55，墊塊厚度尺寸不應出現負偏差，正偏差不宜大于5 mm；各部位鋼筋保護層墊塊數量：筏基底面不宜少于3 個/m2，流道側面不宜少于2 個/m2，墻板側面不宜少于1 個/m2。筏基、流道和墻板鋼筋扎絲的絲頭應朝構件里側，不得伸入保護層內。

4.4 混凝土澆筑及養護

4.4.1 澆筑

聯合泵房筏基、流道和墻板均為大體積混凝土，區塊內的混凝土應連續澆筑、一次成型。進水流道和蝸殼區混凝土采用水平分層法施工，對稱均衡下料、振搗，及時清除泌水，每層厚度不超過300 mm，其它部位混凝土采用斜面分層法施工，每層厚度不超過500 mm。墻板澆筑應控制上升速率，在澆到洞口頂前，應適當靜置20 ～30 min，再繼續往上澆筑，并及時處理沉降及塑性干縮產生的表面裂縫。

4.4.2 溫度控制

為了防止大體積混凝土出現有害裂縫，施工前根據施工參數和內外約束條件，對各齡期混凝土的抗拉強度和同期承受的拉應力進行預測計算，其安全系數應不小于1.15。由于當地氣溫較高，攪拌站砂石均室內存儲，攪拌時通過制冰機調節拌和水的溫度，控制混凝土出機溫度不超過23 ℃，入模溫度為(25±2) ℃。經實測驗證，均滿足如表7 所示大體積混凝土溫度控制指標要求。

表7 大體積混凝土溫度控制指標

大體積混凝土養護期間按規定頻次進行監測并記錄，按變化趨勢和控制指標對覆蓋保溫層厚度進行增減調整。

4.4.3 養護

石灰石粉混凝土早期強度較低。混凝土終凝后，應及時覆蓋外露表面，根據大體積混凝土、環境作用等級Ⅲ—F 級混凝土的養護要求，采取保濕、保溫、防風措施。根據熱工計算，混凝土表面覆蓋1 層塑料薄膜+(2 ～4)層腈綸毯，養護14 d，直至混凝土強度不低于28 d 標準強度的70%，且混凝土表面與大氣溫差≤20 ℃為止。

5 結論

石灰石粉混凝土不得用于地基土壤含硫酸鹽的環境，可用于輸送海水的、與核安全有關的聯合泵房，但必須使用非堿活性骨料，限制混凝土的堿含量和氯離子含量，使用低堿水泥。

石灰石粉在聯合泵房混凝土中的摻量宜控制在10%～15%范圍內。無論是單摻還是與硅粉等復摻，均應通過試驗，尋求既滿足混凝土力學性能和工作性能，又滿足長期性能和耐久性能的適宜摻量。對組分多、拌和要求高的施工配合比，使用前宜通過攪拌站和現場試驗。當檢測到某些指標(如氯離子擴散系數)偏離預期值時，可以采取附加技術措施，以滿足構筑物長期性能和耐久性能的要求。

混凝土施工應防止出現有害裂縫，水位變動、干濕交替區應盡量少留施工縫，需特別關注鋼筋保護層厚度和混凝土養護對結構耐久性能的影響。